Обеспечение режимов функционирования кориолисовых вибрационных гироскопов с низкодобротными резонаторами

Введение. Кориолисовые вибрационные гироскопы — класс перспективных инерциальных датчиков первичной информации, реагирующих на вращение основания резонатора посредством сил инерции Кориолиса, возникающих в вибрирующей оболочке. В настоящее время получили развитие два направления производства резонаторов таких гироскопов: из кварцевого стекла — материала с чрезвычайной малым внутренним трением и на основе обработки металлического сплава. При использовании первого направления, благодаря высокой добротности кварца, удается создавать интегрирующие гироскопы навигационного класса. Существующие образцы кориолисовых вибрационных гироскопов с металлическими резонаторами, как правило, представляют собой датчики угловой скорости. Проблема создания интегрирующего режима гироскопа с металлическим резонатором связана с низкой добротностью металлических сплавов, которая обычно не превышает 35 000. При таком значении добротности длительность функционирования гироскопа в режиме датчика угловых отклонений составит несколько секунд. В работе представлены способы обеспечения функционирования кориолисовых вибрационных гироскопов, включая режим интегрирующего гироскопа. Метод. Приведено математическое описание кориолисовых вибрационных гироскопов с цилиндрическим объемным резонатором на основе динамической модели доктора Д. Линча методом огибающих амплитуд колебаний. Математическая модель дополнена поправками, обеспечивающими компенсацию диссипации энергии колебаний резонатора для реализации интегрирующего режима гироскопа. Показаны условия полной компенсации рассеяния энергии колебаний. Представлено описание способов возбуждения стоячей волны в резонаторе с помощью вынуждающего периодического воздействия и путем создания автоколебаний. Показано, что длительность переходного процесса возбуждения определяется постоянной времени резонатора. Основные результаты. Приведены результаты экспериментальных исследований кориолисовых вибрационных гироскопов с низкодобротным металлическим резонатором, подтверждающие возможность реализации интегрирующего режима функционирования гироскопа. Первоначальное возбуждение колебаний резонатора осуществлялось автоколебательным контуром. Согласно результатам экспериментальных исследований, добротность металлического резонатора удалось повысить схемотехнически в 17 раз. В равной мере увеличено и время функционирования кориолисовых вибрационных гироскопов. Обсуждение. Теоретически и экспериментально показана возможность построения кориолисовых вибрационных гироскопов в режиме интегрирующего гироскопа на основе низкодобротного металлического резонатора. Решение данной проблемы основывалось на схемотехническом способе повышения добротности. Принципиально добротность резонатора может быть значительно повышена по сравнению с достигнутым в эксперименте показателем. Это обеспечит более длительное время функционирования кориолисовых вибрационных гироскопов в интегрирующем режиме.

1. Вавилов В.Д., Тимошенков С.П., Тимошенков А.С. Микро системные датчики физических величин: монография. М.: Техносфера, 2018. 550 с.

2. Пешехонов В.Г. Перспективы развития гироскопии // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28. № 2(109). С. 3–10. https://doi.org/10.17285/0869-7035.0028

3. Лунин Б.С. Научно-технологические основы разработки полусферических резонаторов волновых твердотельных гироскопов: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: Изд-во МГУ, 2006. 32 с.

4. Лунин Б.С., Матвеев В.А., Басараб М.А. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технология. М.: Радиотехника, 2014. 176 с.

5. Распопов В.Я., Егоров С.В. Проектирование резонатора волнового твердотельного гироскопа и верификация конечно-элементной модели // Известия ТулГУ. Технические науки. 2021. № 10. С. 227–235.

6. Распопов В.Я., Лихошерст В.В. Волновые твердотельные гироскопы с металлическим резонатором // Гироскопия и навигация. 2023. Т. 31. № 1(120). С. 26–44.

7. Распопов В.Я., Волчихин И.А., Волчихин А.И., Ладонкин А.В., Лихошерст В.В., Матвеев В.В. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором: монография / под ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 189 с.

8. Chikovani V.V., Yatsenko Yu.A., Barabashov A.S., Kovalenko V.A., Tewksbury P. A set of high accuracy low cost metallic resonator CVG // Proc. of the 20th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS 2007). 2007. P. 1345–1350.

9. Acar C., Shkel A. MEMS Vibratory Gyroscopes: Structural Approaches to Improve Robustness. Springer, 2009. 256 p. https:// doi.org/10.1007/978-0-387-09536-3

10. Матвеев В.А., Липатников В.И., Алехин А.В. Проектирование волнового твердотельного гироскопа: учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений. М.: Изд-во МГТУ им. Н Э. Баумана, 1998. 166 с.

11. Климов Д.М., Журавлёв В.Ф., Жбанов Ю.К. Кварцевый полусферический резонатор (волновой твердотельный гироскоп). М.: Ким Л.А., 2017. 193 с.

12. Lynch D.D. Coriolis vibratory gyroscope // IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for Coriolis Vibratory Gyros. IEEE std.1431 annex B. 2004. P. 56–66.

13. Шарма Н.Г., Сундарараджан Т., Сингх Г.С. Гибридный резонатор твердотельного волнового гироскопа с высокой добротностью: конструкция с использованием термоупругого демпфирования, исследование чувствительности и определение характеристик // Гироскопия и навигация. 2021. Т. 29. № 1(112). С. 70–96. https://doi.org/10.17285/0869-7035.0057

14. Маслов А.А., Маслов Д.А., Ниналалов И.Г., Меркурьев И.В. Волновые твердотельные гироскопы: обзор публикаций // Гироскопия и навигация. 2023. Т. 31. № 1(120). С. 3–25.

15. Lynch D.D. Vibratory gyro analysis by the method of averaging // Proc. of the 2nd St. Petersburg conference on gyroscopic technology and navigation. St. Petersburg, 1995. P. 26–34.

16. Северов Л.А., Золотарев С.К., Овчинникова Н.А., Панферов А.И., Пономарев В.К. Информационные характеристики микромеханических гироскопов на основе кремниевой технологии микроэлектромеханических систем // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2011. Т. 54. № 8. С. 12–22.

17. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний: учеб. пособие для втузов. М.: Наука, 1971. 239 с.

18. Кучерков С.Г. Использование интегрирующих свойств вибрационного микромеханического гироскопа с резонансной настройкой при построении датчика угловой скорости компенсационного типа // Гироскопия и навигация. 2002. № 2. С. 12–18.

19. Chikovani V. Secondary wave control system of the Coriolis vibratory gyroscope resonator // Electronics and Control Systems. 2013. N 3. P. 58–61. https://doi.org/10.18372/1990-5548.35.5805

20. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособие. В 10 т. Т. 1. Механика / 4-е изд., испр. М.: Наука. гл. ред. физ.-мат. лит, 1988. 216 с.